排盐泵热流固耦合特性分析

作者:王勇;李雨;罗凯凯;严骏;陈杰;唐晓晨; 刊名:流体机械 上传者:刘丽萍

【摘要】为获得排盐泵实际工作状态下的结构强度,对泵内部全流场进行多工况定常数值模拟,并基于Workbench平台对泵转动部件进行了单向流固热耦合计算,得到了不同工况下转动部件的温度场、最大等效应力以及应变分布。结果表明,在排盐泵运行中,诱导轮处温度最高,且各工况下最高温度均出现在诱导轮叶片上;排盐泵最大等效应力出现在叶轮出口后盖板与叶片背面交接位置处,且小于自身材料的抗拉强度;在排盐泵叶轮上应变分布比较均匀,呈现中心对称分布,相同半径上的变形值基本相同,但是叶轮出口处,两叶片之间部分盖板的位移量大于相同半径的其他位置。

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1前言船用泵是船舶动力装置系统的一个重要组成部分,同时也是某些特种船舶为了完成某种特定功能所必需配置的专用设备。因此,为了实现船舶的航行、承载、工作和安全等功能,需要某些具有相应工作参数、结构特点和相关功能的船用泵来作为保证[1],排盐泵作为船舶海水淡化装置最为重要的组成部分,对其运行稳定性和可靠性要求较高,因此对排盐泵进行结构强度分析具有重要意义。在以往很多工程实际问题中,对泵的力学特性分析往往忽略了流体与结构耦合作用的影响。流固耦合分为直接耦合、顺序耦合和同步耦合3种方式,由于直接耦合消耗极大的计算资源,目前还很难应用在流体机械上,顺序耦合即“单向弱耦合”,其按照流体到结构或结构到流体的顺序分别求解流场和结构场,同步耦合即“双向强耦合”,其每一时间步内都实现流体与结构的相互耦合迭代计算。近年来,随着流固耦合这一新兴学科的发展,国内外不少学者选择流固耦合方法对流体机械过流部件展开强度分析。梁权伟等运用顺序耦合的方法分析了在三维旋转流动所产生的水压力作用下,转轮体的静强度特性[2]。Bhope等利用试验技术和有限元分析方法,分析了离心式通风机叶轮的应力、噪声及流动状态等[3]。肖若富等应用顺序流固耦合方法,对混流式水轮机流场和转轮叶片的静应力特性做了系统分析[4]。LIU等采用流固耦合方法,对水轮机转轮进行了振动分析[5]。Asl等利用试验和有限元软件,通过建模、结构静力分析、优化几何构型的方法优化了离心泵蜗壳结构[6]。Peng等利用有限元分析方法,对大型离心泵进行了强度分析[7]。排盐泵输送的介质为高温海水,排盐泵的热负荷问题越来越突出。排盐泵的热负荷通常从两方面考虑:一是受热部件因为温度过高而失效;二是受热部件由于温度梯度过大而产生很大的热应力,以至发生热疲劳而损坏。由于计算机辅助工程的数值模拟理论和计算机硬件条件的限制,早期的排盐泵设计主要以经验设计和反复多次的试验检验为主,受热部件热耦合数值模拟研究很少。本文主要基于ANSYS综合考虑排盐泵的水动力载荷、离心力载荷、温度载荷,研究建立热、流、固耦合作用下动力学模型,获得排盐泵转子系统的温度场、变形及应力变化规律。2研究对象与划分网格2.1参数与结构本文的研究对象为舰船用排盐泵,其设计参数为:流量Q=6 m3/h,扬程H=30 m,转速n=2900 r/min,NPSHr≤0.8 m,叶轮为闭式叶轮,叶片数为6,叶轮外径D2=297 mm。由于工作介质为海水,为了使叶轮具有良好的耐蚀性和较高的力学性能,叶轮及诱导轮材料选用316 L。材料参数如下:密度ρ为7890 kg/m3、弹性模量E为195 GPa、泊松比λ为0.5、抗拉强度σb为480 MPa。2.2三维建模采用Pro/E软件对该泵全流场水体与转子结构进行实体造型。流体区域造型如图1所示,包括诱导轮、叶轮水体、蜗壳水体及进出口延长段水体,共计4个水体。转动部件造型如图2所示,转动部件包括叶轮、诱导轮、泵轴及键。图1排盐泵全流场水体造型图2排盐泵转动部件造型2.3网格划分及计算设置流场计算域包括4个部分:进水管、诱导轮、叶轮以及出水管,其中叶轮流场采用旋转坐标系,其余流场都设置为静止坐标系。利用ICEM网格划分软件对水体进行网格划分,为保证网格质量,蜗壳采用结构化网格,其余区域均采用非结构网格,为避免设置动交界面,因此在划分网格时将诱导轮和叶轮作为一个整体。划分7套网格进行网格无关性验证,当扬程的相对变化值减小到0.08%,认为达到了网格无关性要求[8~12]。故最终采用网格的数量为1402424。各过流部件网格数如下:叶轮及诱导轮网

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